NASA研究助力可充电助听器电池的开发

人们常常认为，发明创造能够一蹴而就。然而，事实并非如此。就像托马斯·爱迪生发明白炽灯其实是建立在前人50多年的实践经验基础上的。同样，银锌电池也经历了漫长而曲折的发展过程，才最终进入消费品市场，被应用于助听器。这一过程自银锌电池问世起长达两个世纪之久。

与其它电池相比，银锌电池具有更高的质量比能量，因此，研究人员投入了大量人力、物力致力于开发实用的银锌电池。但是，银锌电池的发展缓慢，突破较少，其中一项突破性进展是由美国国家航空航天局（NASA）的格伦研究中心（即原刘易斯研究中心）取得的。

银锌电池的主要问题是其正负电导体具有可溶解性，劣化速度较快。20世纪20年代末，法国教授亨利·安德烈制造出了世界首个实用的银锌电池。该电池采用一种薄膜将两个电极分离开来，防止活性物质在两个电极之间迁移，从而避免了电极的劣化。该项研究成果为40多年后刘易斯研究中心取得的银锌电池成果奠定了基础。

在第二次世界大战期间，美国军队，特别是美国海军和美国空军，推动了高效银锌原电池的发展。这种电池是一种不可充电的电池，目前仍在用于为潜艇、鱼雷、导弹推进系统，以及其它设备提供动力。

在早期的发射系统中，NASA也使用这种银锌原电池。但是，NASA希望能够开发出长寿命、轻质的银锌二次电池，即可充电的银锌电池用于航天系统。电极的劣化是开发新型银锌电池必须解决的重要问题。锌电极释放的氧化锌会溶解，导致电极降解，改变电池的形状，减小电池的表面积。氧化锌溶解后也可在电极上重新沉积析出，形成可穿透电池隔膜的结构，从而破坏电池。如果对电池进行加热灭菌处理，银锌电池的电极劣化问题就会更加复杂。而对电池进行加热灭菌处理是所有火星探测器都必须经历的处理过程，目的是保证这些设备不会携带地球上的微生物，对火星造成污染。

20世纪60年代，为了应对这些挑战，NASA在喷气推进实验室、戈达德空间飞行中心和刘易斯研究中心进行了多次实验。研究人员试验了多种电池隔膜材料、电极材料及电解质材料，设计了不同的电池结构和电池构建方法。但这些实验仅使银锌电池的性能获得了小幅提升。1968年NASA发布的《空间动力系统电池》报告中就指出，这些复杂的问题长期存在，需要持续不断的研究。该报告中提及了一种采用新型无机陶瓷电池隔膜的实验电池。该电池由道格拉斯飞机公司的宇航动力实验室研发。道格拉斯飞机公司是刘易斯研究中心在银锌电池方面的合作伙伴，该公司研发的新型银锌电池展现出了良好的性能潜力，但缺乏充分的数据支撑。

宇航动力实验室当时正在为刘易斯研究中心开发一种用于燃料电池的无机离子交换膜。研究人员认为，类似的隔膜或许在可充电电池中也可发挥作用。因此，1965年，宇航动力实验室和刘易斯研究中心开始研究一种新型的隔膜，以缓解可充电银锌电池面临的诸多问题。

1972年，刘易斯研究中心已经完成了基于特制的无机隔膜和特制的锌电极研发的银锌电池的测试和验证。这种银锌电池在加热杀菌后，能够作为可充电电池使用。但这些银锌电池的可靠寿命仅为400～500个充放电循环，远远低于当时航天领域常用的镍镉电池的10000次循环寿命，但这种银锌电池的尺寸仅为镍镉电池的1/3，且避免了典型银锌电池中出现的锌电极形状变化和性能劣化问题。1972年，刘易斯研究中心发表了题为“一种用于同步轨道任务和行星探测任务的多功能氧化银-锌电池”的文章，称这种电极未经过形变抑制处理的银锌电池的耐用性达到了“惊人”和“不同寻常的”程度。

宇航动力实验室通过持续研发，开发出了一种更有效的无机-有机隔膜，进一步延长了银锌电池的寿命，消除了其它无机隔膜具有的低传导率问题。1973年，刘易斯研究中心启动了一项电池隔膜研发项目，获得了宇航动力实验室研发的无机-有机隔膜的使用许可，并对这种隔膜的工作原理开展了大量的研究和实验。在理论研究的基础上，研究人员研发出了3种更高性能的隔膜产品，以及一种高效制造这些隔膜产品的方法。这些隔膜产品及其制造方法于1979年发布。

宇航动力实验室研发的基于无机-有机隔膜的银锌电池在50%放电率条件下的循环寿命约为150个周期，而刘易斯研究中心开发的产品的循环寿命可达200个周期；宇航动力实验室开发的隔膜很脆，难于处理，而刘易斯研究中心研发的隔膜更柔软，可获得更均匀的电流密度，并可能延长电池的使用寿命；通过采用新型材料和工艺，刘易斯研究中心开发的电池隔膜的成本约为35美分/平方英尺，而宇航动力实验室研发的电池隔膜的成本约为1.25美元/平方英尺。

尽管开展了大量的研究，银锌二次电池在NASA仍未得到广泛应用。一方面是由于其充放电循环寿命仍然较少，另一方面是因为在20世纪70年代中期，镍镉电池有了重大改进，成为NASA众多应用的首选电池。此外，在20世纪90年代，锂离子电池出现，其能量质量比几乎与银锌电池相同，但其充放电循环性能远高于银锌电池，因此得到了更为广泛的应用。

在商业领域，锌银电池受其成本高及寿命短的影响，也未获得广泛应用。直到最近，这种情况才有所改观。

锌矩阵能源公司（现称“ZPower公司”）1996年成立于美国加利福尼亚州卡马里奥市，主要致力于可充电银锌电池的商业化应用。由于NASA的大部分研发成果是公开的，因此，该公司在NASA和其他研究机构的银锌电池研究基础上进行了研究。此外，该公司的总裁兼首席执行官（CEO）罗斯·迪贝尔也拥有一些银锌电池的专业知识。他曾经就职于美国空军莱特航空实验室的电池分部，该部门经常与NASA开展可充电电池系统方面的合作，其中就包括银锌电池技术。

ZPower公司专注于改进电池的4个活性组成部分，即2个电极、电解质和隔膜。经过多次改进，在其最终产品中，ZPower公司在电池的银电极上涂覆了一种专利涂层以提高电导率，在锌电极上添加了一种膏状物质以减少锌离子的扩散，采用了特殊的电解质来延长两个电极的使用寿命。研究人员还为电池隔膜的堆叠设计技术申请了专利。

先进膜系统公司是一家研发电池隔膜进行测试的公司。该公司在21世纪初与格伦研究中心和约翰逊航天中心签订了小企业创新研究计划（SBIR）合同，共同开展银锌电池研究。该公司的研究引起了ZPower公司的关注。ZPower公司购买了其电池隔膜专利技术的所有权利，对其多年来在银锌电池方面积累的约100项专利技术形成了补充。基于这些技术，ZPower公司开发的银锌电池在电容量无明显衰减的情况下循环寿命可达500～1000次。

经过十多年的研发，ZPower公司于2007年宣布，将在2008年推出一系列笔记本电脑电池。然而，受2008年经济危机，以及银价大幅上涨的影响，成本成为银锌电池发展的严重障碍。在这种情况下，ZPower公司只能重新进行规划。由于电池越小，所需的银越少，银价造成的影响就越小。所以，ZPower公司决定将银锌电池应用于助听器中。在2013年底，ZPower公司发布了其助听器电池产品系列。

传统助听器通常使用一次性锌空气电池。锌空气电池具有较高的能量质量比，但不能充电。镍氢电池等可充电电池在助听器的小尺寸下，无法携带足够助听器全天运行所需的电量。因此，助听器用户几乎每周都需要更换电池，非常不便。在高电量存储方面，锂离子电池是唯一可与银锌电池相媲美的。但锂离子电池存在热失控现象，可能会发生燃烧或爆炸事故。此外，锂离子电池需要更为严密的包装和其它组件，不适用于微型电池。银锌电池却可以避免这一问题。

为了解决电池更换的困难，ZPower公司开发的电池能够在助听器内部充电。ZPower公司在传统助听器电池盖的部位设计了特殊的接口，可与充电器连接，用户仅需将助听器从耳朵中取出，连接充电器即可充电，而且，电池能够在一夜之内充满，充电一次可供用户使用1～2天。ZPower公司建议每年更换一次电池，每块电池的售价为25美元～30美元，与一次性电池相比，成本更低。

ZPower公司还研发了电池的回收工艺。由ZPower公司将这些旧电池收集起来，送往专业的回收机构进行再利用。

这种可充电银锌电池系统赢得了2016年消费电子展创新奖和2016年爱迪生奖。ZPower公司的产品发布后，其雇员数量已由35人增加到100人。

罗斯·迪贝尔说：“随着可穿戴设备的发展，越来越多的人开始关注小型化、高性能的电池。助听器只是银锌电池应用的起步。”目前，ZPower公司正在与一家太阳镜制造商合作研发一款“不会丢的太阳镜”。该太阳镜能够通过手机应用程序锁定位置，其电池将由ZPower公司负责提供。 (唐 甜)